线粒体功能障碍与炎症性衰老：生物能量衰竭与细胞衰老之间的机制桥梁

《GeroScience》：Mitochondrial dysfunction and inflammaging: a mechanistic bridge between bioenergetic failure and senescence

　　

摘要专业翻译 衰老以线粒体完整性的进行性衰退为特征，这种衰退不仅涉及能量产生受损，还包括氧化还原失衡、质量控制缺陷、细胞器动力学改变以及持续性炎症信号传导。本综述将线粒体功能障碍视为连接生物能量衰竭与细胞衰老及炎症性衰老（inflammaging）这两个生物学衰老核心特征的机制桥梁。研究人员探讨了氧化磷酸化（OXPHOS）受损、线粒体膜电位丧失、电子漏增加及过量活性氧（ROS）如何逐步损伤线粒体DNA（mtDNA）、蛋白质和脂质，从而加剧细胞器功能障碍并损害细胞稳态。研究特别强调了线粒体DNA突变的阈值效应（threshold effect），其年龄依赖性克隆扩增可在易感组织中驱动呼吸链缺陷。研究人员进一步分析了线粒体作为整合程序性细胞死亡（包括凋亡、坏死性凋亡、焦亡和铁死亡）的信号平台，以及作为促进无菌性炎症的线粒体损伤相关分子模式（DAMPs）来源的作用。最后，研究人员强调了线粒体功能障碍相关衰老（MiDAS）作为核心过程，通过该过程持续性线粒体应激重塑衰老相关分泌表型（SASP）并强化炎症性衰老。总体而言，证据支持一个模型，即功能障碍的线粒体既是衰老和炎症的启动者也是放大器，促进组织退化和年龄相关功能衰退。理解这些相互关联的机制可能有助于确定靶向线粒体生物能量学、炎症信号传导及衰老细胞负荷的治疗策略。

论文主体内容总结

衰老中的线粒体稳态：从生物能量衰退到基因组突变

线粒体功能障碍是一个进行性且自我放大的过程，OXPHOS的初级缺陷与细胞器结构和氧化还原状态的恶化相耦合。当电子传递链效率下降时，线粒体内膜的质子泵送效率降低，导致线粒体膜电位下降、ATP合酶活性受损及ATP输出减少。同时，电子传递缺陷增加电子漏，尤其在复合物I和III处，从而增强线粒体ROS生成。过量ROS进而损伤线粒体脂质、呼吸链和mtDNA，进一步损害OXPHOS并强化生物能量衰竭与氧化应激的恶性循环。这一累积性损伤逐步改变细胞稳态，影响钙离子处理、线粒体动力学、应激信号传导及最终细胞活力。

mtDNA相关线粒体功能障碍的关键原则在于，大多数致病性人类mtDNA突变在细胞水平上表现为功能性隐性。突变型mtDNA分子通常与野生型基因组共存于同一细胞中，即异质性（heteroplasmy）。只要野生型基因组比例足以维持线粒体转录、翻译和呼吸链组装，OXPHOS功能即可通过细胞内互补得以保留。因此，大多数致病性mtDNA变异在突变基因组超过临界阈值前不产生生化缺陷。这一阈值效应是线粒体遗传学的定义性特征，解释了为何同一mtDNA突变在低水平时临床沉默，而在比例超过突变和组织特异性水平后致病。阈值并非固定不变，取决于变异致病严重程度、受影响的mtDNA基因、组织能量需求及细胞绝对mtDNA拷贝数。

该概念与衰老尤为相关。人类组织研究支持年龄相关mtDNA突变克隆扩增与局灶性呼吸链缺陷之间的关联。例如，对207名17至78岁个体的结直肠活检分析显示，衰老与克隆扩增的mtDNA突变及呼吸链缺陷隐窝频率增加相关。然而，横断面设计无法直接追踪个体内突变扩增，也无法确定这些变化导致系统性炎症性衰老或机体功能衰退。呼吸链缺陷不应被解释为所有下游后果（包括ROS产生增加、衰老和炎症激活）必然在同一细胞中发生的证据。建模和单细胞分析进一步提示，许多在衰老细胞中占主导的突变可能在生命早期出现，随后数十年缓慢扩增直至超过OXPHOS衰竭阈值。

线粒体质量控制决定线粒体损伤是被遏制还是持续存在。融合与分裂协调网络重塑和受损组分的分离，而线粒体伴侣蛋白、蛋白酶和生物发生支持蛋白质稳态和细胞器更新。线粒体自噬（mitophagy）通过PINK1-Parkin信号传导和受体介导途径将线粒体选择性递送至溶酶体。然而，有效清除需要溶酶体降解的完成：酸化或蛋白水解活性受损可限制线粒体周转。线粒体衍生囊泡提供了选择性货物处置的额外途径，并可影响线粒体DAMPs的释放。在实验性巨噬细胞系统中，受损线粒体的自噬清除可抑制NLRP3炎症小体激活。

线粒体与衰老作为程序性细胞死亡的平台

线粒体现被认为是程序性细胞死亡的整合枢纽，而非仅限于内源性凋亡。在衰老中，功能障碍的线粒体通常不激活单一孤立的死亡程序，而是产生以ATP下降、氧化还原失衡、自噬受损、膜重塑及线粒体危险信号释放为特征的状态，可输入多种执行途径。内源性凋亡仍是最明确的线粒体中心程序，因为线粒体外膜透化（MOMP）使细胞色素c释放和半胱天冬酶激活成为可能。然而，线粒体凋亡信号并非二元性的。在培养的人成纤维细胞衰老模型中，少数线粒体MOMP使BAX/BAK依赖性mtDNA释放和cGAS-STING介导的SASP调控得以实现而不导致细胞死亡。

坏死性凋亡与凋亡共享若干上游应激背景，但在执行上不同，依赖RIPK1-RIPK3信号传导和MLKL介导的膜破坏。线粒体ROS、代谢衰竭、线粒体通透性转换（MPT）和自噬缺陷均可降低坏死性损伤阈值。凋亡与坏死性凋亡之间的边界在机制上是可渗透的：caspase-8活性可抑制坏死性凋亡，而凋亡执行受损可能将应激细胞转向坏死性破裂和更强的炎症输出。

焦亡中，炎症小体激活与线粒体功能障碍紧密相连：氧化剂生成、心磷脂暴露和线粒体炎症小体组分募集促进NLRP3激活，而线粒体损伤增强caspase-1依赖性炎症执行。在衰老中，gasdermin D（GSDMD）的N末端片段形成大膜孔，驱动IL-1β和IL-18释放、离子失衡、细胞肿胀和最终裂解。GSDMD还可作用于线粒体膜，促进去极化、ROS产生、线粒体透化和线粒体DAMPs释放。铁死亡由铁依赖性磷脂过氧化定义，三羧酸循环活性、电子传递、ROS产生和脂质氢过氧化物解毒受损均调节铁死亡敏感性。

线粒体DAMPs及其感知：从细胞器损伤到衰老中的无菌性炎症

线粒体损伤通过线粒体DAMPs的生成和释放转化为炎症。最相关的DAMPs包括无细胞mtDNA、线粒体RNA（包括双链RNA）、心磷脂、N-甲酰肽和线粒体ROS。mtDNA和mtRNA可在应激、凋亡相关MOMP、MPT或线粒体质量控制缺陷导致线粒体膜通透时逃逸。线粒体衍生囊泡和细胞外囊泡可输出选定的线粒体货物，将炎症信号扩展到受损细胞之外。

胞外或胞质mtDNA是特征最明确的DAMPs。内体TLR9识别未甲基化CpG序列富集的DNA基序。在胞质中，异位mtDNA激活cGAS-STING通路，导致TBK1-IRF3和NF-κB信号传导及I型干扰素和炎症基因程序诱导。该通路被认为是线粒体应激转化为无菌性炎症和衰老相关免疫激活的主要途径。线粒体RNA在稳态下被区室化和高效加工，但线粒体应激可能使mtRNA（包括双链物种）暴露于先天免疫传感器。心磷脂在应激时暴露或重新分布，NLRP3和caspase-1与富含心磷脂的线粒体膜结合，表明线粒体不仅是炎症配体的来源，也是炎症小体组装的平台。

这些感知通路并非独立运作。TLR9、cGAS-STING、NLRP3和甲酰肽受体功能上相互连接，线粒体ROS常降低这些回路的激活阈值。在衰老中，持续性线粒体功能障碍有利于重复的线粒体DAMP释放，而受损细胞和细胞器清除缺陷维持免疫细胞对这些信号的暴露，结果是慢性无菌性炎症而非有效消退。

线粒体功能障碍、MiDAS与线粒体DAMP驱动的炎症性衰老

在衰老过程中，线粒体功能障碍可驱动稳定的衰老状态。MiDAS代表线粒体、炎症和衰老之间最有力的机制联系之一。直接损害线粒体功能足以在增殖的人细胞中诱导独特的衰老程序，与NAD⁺/NADH比值降低、AMPK依赖性p53激活和修饰的分泌表型相关。NAD⁺/NADH比值下降不仅是呼吸功能障碍的代谢副产物，还是帮助决定细胞周期停滞和SASP质量的逆行信号。在MiDAS中，AMPK主要通过p53和p21稳定衰老生长停滞，但该AMPK-p53轴也抑制通常强化DNA损伤驱动衰老中经典SASP的IL-1依赖性炎症臂。因此，MiDAS不是由更强的通用炎症输出定义，而是由重新布线的分泌组定义，其中选定因子得以维持而IL-1/NF-κB自放大环路被削弱。

线粒体ROS在此转变中至关重要。过量ROS氧化DNA、蛋白质、脂质并促进持续性端粒相关损伤。线粒体功能障碍还扰乱核苷酸代谢、钙处理和氧化还原敏感信号传导。受损线粒体的持续存在是衰老细胞保持代谢活跃但慢性应激并持续产生炎症介质的主要原因。在体内，早衰环境中mtDNA突变积累与MiDAS样表型相关。

线粒体和衰老靶向干预的临床转化

临床研究提供了初步证据，但尚未验证线粒体功能障碍-衰老-mtDAMP轴作为人类衰老治疗靶点。在一项涉及66名老年人的随机试验中，尿石素A在2个月时改善肌肉耐力并改变选定血浆生物标志物，但6分钟步行距离和最大ATP产生的主要结局组间差异无统计学显著性。一项达沙替尼加槲皮素的开放标签I期研究在5名早期症状性阿尔茨海默病参与者中提供了初步可行性和耐受性数据，但小规模非对照研究未建立临床疗效。达沙替尼加槲皮素在60名绝经后女性中的随机II期试验在主要终点（20周骨吸收标志物变化）未发现显著组间差异。NLRP3抑制剂达泮舒曲兰在急性痛风中的早期开放标签试验提供了初步临床证据，但其非对照设计和短治疗周期限制了结论。cGAS-STING抑制在老年小鼠中的有利结果仍是衰老相关应用的临床前证据。

结论

线粒体功能障碍代表代谢衰退、无菌性炎症和生物学衰老之间的核心机制联系。细胞衰老通过受损线粒体与促炎通路之间的自放大环路重塑组织稳态并强化炎症性衰老。线粒体不仅是年龄相关损伤的靶点，也是从细胞功能障碍向组织退化转变的主动驱动者。线粒体功能障碍不应被视为众多标志之一，而应被视为将生物能量衰竭与MiDAS、线粒体DAMP感知、程序性细胞死亡和慢性无菌性炎症联系起来的组织性机制枢纽。